温度对油—气式起落架缓冲性能的影响研究

2022-06-24胡锐牟让科宋得军陈熠

航空工程进展 2022年3期

胡锐，牟让科，宋得军，陈熠

（1.中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室，西安 710065）

（2.航空工业沈阳飞机设计研究所结构设计部，沈阳 110035）

0 引言

起落架的缓冲性能关系着飞机的安全性及乘客的乘坐舒适度，缓冲器作为起落架主要的缓冲吸能装置，具有减缓飞机着陆过程中动态冲击载荷的作用。油—气式缓冲器由于其体积小、重量轻且易于密封等优点被现代飞机起落架所广泛采用，作为起落架中吸收和耗散能量的主要部件。

随着航空飞行器的高速发展，空天飞机已成为航空航天领域研究的热点，空天飞机再入大气层时飞机结构会被迅速加热，起落架缓冲器内部的油液特性及充气压力会随着环境温度的升高而变化，进而影响起落架的缓冲性能。B.Milwitzky等根据流体力学经典的局部压力损失理论，推导了油液阻尼力的经典公式，并被广泛应用于起落架缓冲器设计和分析；M.K.Wahi对油液式起落架进行建模和仿真，探讨了雷诺数、油孔的形状和方向对缩流因数的影响，并在缓冲支柱轴向力中考虑了侧油孔阻尼力的影响，还研究了油液压缩模量、气体可溶性、气穴现象以及气体多变指数对缓冲支柱缓冲特性的影响；T.J.Tharakan等通过对比油液流经不同孔径的情况以研究出口压力对小孔流量系数的影响；陈玉红等建立了考虑缓冲器主油腔气穴效应的起落架落震动力学模型，分析了该模型下的起落架动力学特性，并与试验进行了对比验证；豆清波等基于落震试验研究了气体压缩多变指数的变化规律，指出多变指数和空气受压程度相关，且非定常多变指数计算模型能更加准确地反映受载情况；丁勇为等基于管道流体力学方法和缓冲器油孔结构建立了流量系数的理论模型，对比分析了长径比、孔径管径比、孔口倒角等油孔几何参数对起落架缓冲阻尼力和轴向合力的影响。

关于起落架缓冲器内部的油、气以及轮胎对起落架性能的影响和优化已有大量研究，而温度对油—气式起落架缓冲性能影响的试验研究却未见报道。因此，本文以某型无人机起落架为研究对象，建立起落架动力学模型，分析影响油液阻尼力及空气弹簧力的影响因素，并进行可模拟起落架缓冲器温度变化的落震试验，结合试验结果，指出温度对油—气式起落架缓冲性能的影响规律，并对使用环境温度变化范围较大且采用油—气式缓冲器的起落架的试验验证提出建议。

1 理论建模

1.1 起落架动力学方程

无侧倾角的支柱式起落架，其结构形式及简化的落震受力分析图如图1所示。以该支柱式起落架（图1）为研究对象，采用经典的二质量模型和减缩质量法，可建立起落架的落震动力学运动方程。

图1 支柱式起落架受力分析图Fig.1 Force analysis diagram of telescopic landing gear

上部质量的垂向动力学方程为

式中：M为起落架弹性支撑质量（上部质量）；为缓冲器内部的轴向力；为外筒对内筒的径向力；̈为弹性支承质量的加速度；为缓冲支柱轴线的航向倾角。

下部质量的垂向动力学方程为

式中：为起落架非弹性支撑质量（下部质量）；̈为非弹性支承质量的加速度；P为地面作用于轮胎的垂直力。

下部质量的航向动力学方程为

式中：为地面作用于轮胎的航向力（阻力）。

下部质量的转动动力学方程为

式中：为下部质量的转动惯量（包括机轮、轮胎及刹车组件的转动部分）；为未压缩时的机轮半径；为轮胎压缩量；为机轮角速度。

1.2 缓冲器内部载荷

常油孔的油—气式缓冲器结构示意图如图2所示。

图2 常油孔单气腔缓冲器结构示意图Fig.2 Diagram of single gas cavity buffer structure with constant oil hole

缓冲器的轴向力可表示为

式中：为空气弹簧力；为油液阻尼力；为起落架外筒与活塞杆的摩擦力。

缓冲器内部的空气弹簧力为

式中：为压气面积；为初始充填压力；为初始充气体积；为缓冲器压缩量；为气体多变指数，一般取定值；为外部环境压强。

缓冲器的空气弹簧刚度为

由式（7）可知，空气弹簧刚度为缓冲器行程的函数，会随着缓冲器的压缩而逐渐增大。对于给定初始充气体积及压气面积，在同等的缓冲器压缩量下，空气弹簧刚度随着初始充填压力的增大而增大。

缓冲器内部油液阻尼力可表示为

式中：、为主、回油腔压油面积；、为主、回油孔流量系数；、主、回油孔过流面积。

Sng定义如下：

主油孔流量系数（）为总阻力系数的函数。其中，为阻尼孔的直径和厚度，为雷诺数，与油液自身密度、黏度相关。

缓冲器内部的摩擦力主要由皮碗摩擦力与缓冲支柱弯曲产生的摩擦力组成，可以表示为

式中：为皮碗摩擦系数；为缓冲器弯曲摩擦系数；为活塞杆外筒与支柱内筒上、下接触位置的法向力。

1.3 轮胎载荷

航空轮胎的力学特性与其轮廓尺寸、充气压力和轮胎刚度等参数相关，其垂直载荷与轮胎压缩量之间的关系可表示为

式中：为起落架机轮数目；C为轮胎当量阻尼系数；为轮胎压缩量；（）为轮胎静压曲线。

轮胎航向载荷可表示为

式中：为轮胎与跑道之间的航向滑动摩擦系数。

2 试验方案

2.1 油—气式缓冲器加热设备及加热方法

试验过程中通过加热带包裹油—气式缓冲器外筒进行加热。加热带内部夹层为加热电阻丝，正反两面为石棉布，功率1.5 W/cm，缓冲器外筒壁温度采用热电偶进行监控。

依据缓冲支柱外筒形状，设计相应尺寸的加热带，以满足对缓冲器外筒完全包裹的要求，且加热带不能交叉重叠，以免加热不均匀、烧蚀加热设备。设计与加热带同尺寸、5 mm厚度的橡胶垫，包裹于加热带外侧，确保加热带与缓冲支柱外筒整体紧密贴合。将缓冲支柱外筒壁打磨后粘贴热电偶，对温度进行监控。温度监控及缓冲器加热如图3所示。

图3 温度监控及缓冲器加热照片Fig.3 Photos of temperature monitoring and buffer heating

2.2 试验设备及原理

试验装置为立柱式自由落震试验系统，主要由台架系统、提升/释放系统、当量质量模拟系统、加热系统、测试系统等构成，如图4所示。

图4 落震试验设备及原理图Fig.4 Drop test equipment and schematic diagram

试验时先由升降系统将落体系统升至规定投放高度锁定；启动加热系统对缓冲器进行加热，加热至所需温度并控温1 h，使得缓冲器内部油—气温度趋于稳定；打开落体系统上部的电磁释放锁，使落体系统沿立柱导轨自由下落，起落架撞击安装于地面的测力平台，触发采集信号，获得试验数据。

3 结果分析

3.1 试验件基本参数

研究对象为支柱式起落架，无航向及侧向倾角，其基本参数如表1所示。

表1 起落架基本参数Table 1 Basic parameters of landing gear

3.2 起落架缓冲性能分析

将缓冲器分别加热至20（室温）、40、60和80℃进行试验，试验工况如表2所示。

表2 试验工况Table 2 Test condition

缓冲器初始充填压力变化如图5所示。

图5 缓冲器初始充填压力随温度变化曲线Fig.5 Initial filling pressure of buffer versus temperature

从图5可以看出：在温度达到80℃时，缓冲器充填压力相较于20℃时的变化率已达24.11%，远超过GJB 67.9及GJB 5435.9中规定的落震试验需进行±10%充气容差试验的要求。

不同温度下落震试验的地面垂直载荷曲线、支柱压缩量曲线如图6～图7所示，最大上部质量加速度及缓冲系统效率系数随温度的变化曲线如图8所示。

图6 不同温度下落震试验的地面垂直载荷曲线Fig.6 Vertical load curves of drop test at different temperature

图7 不同温度下落震试验的支柱压缩量曲线Fig.7 Strut compression curves of drop test at different temperature

图8 最大上部质量加速度及缓冲系统效率系数随温度变化曲线Fig.8 Maximum upper mass acceleration and efficiency coefficient of buffer system versus temperature

从图6～图8可以看出：随着油—气式缓冲器内部温度的升高，地面垂直载荷及上部质量加速度逐渐增大，支柱压缩量及缓冲系统效率系数逐渐减小。其主要原因是，温度升高引起初始充填压力增大，缓冲器内部空气弹簧刚度变大引起地面垂直载荷及上部质量加速度变大，而支柱压缩量相应减小，表明缓冲器温度的升高引起起落架缓冲性能的恶化。

本文研究的起落架无航向及侧向倾角，可不考虑支柱弯曲带来的缓冲器内部摩擦力的影响。通过监测数据计算得到最大油液阻尼力随温度的变化曲线如图9所示，可以看出：最大油液阻尼力随温度的升高而降低，其主要原因是，随着温度的升高，油液的黏度逐渐降低，在油孔外形尺寸一致的情况下，油液雷诺数变小，引起流量系数的变化，使得最大油液阻尼力减小，进而影响起落架消耗功量的能力。